Síť uspořádaných poruch zvýšila pevnost dvou kobaltových slitin o víc než 200 MPa
Tým z Ohio State University, z Erlangenu a z Lawrence Livermore National Laboratory nechal v kobaltových slitinách nejdřív vzniknout plošné poruchy a pak je stárnutím proměnil v síť atomárně tenkých uspořádaných fází. Pevnost při pokojové teplotě tím stoupla o víc než 200 MPa a minimální rychlost tečení superslitiny klesla víc než třikrát. Práce vyšla 15. října v časopise Science.
Časopis Science vydal 15. října práci Engineering ordered two-dimensional defect phases to strengthen structural alloys. Stojí za ní tým z Ohio State University, z Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg a z Lawrence Livermore National Laboratory. Prvním autorem je Andreas Bezold z Ohio State, posledním Steffen Neumeier z Erlangenu.
Postup, který popisují, má dva kroky. Slitina se nejdřív zdeformuje a pak se při zvýšené teplotě nechá stárnout. Z poruch, které deformace vnesla do krystalu, tím vznikne hustá síť atomárně tenkých vrstev s vlastním uspořádáním atomů. Pevnost při pokojové teplotě to zvedlo o víc než 200 MPa.
Porucha krystalu bývá následek, ne záměr
Plošné poruchy konstrukční slitinu zpevnit umí. Potíž je v tom, kdy vznikají: podle abstraktu práce se objevují až při deformaci nebo za provozu, takže jejich hustotu, stálost ani chemické složení nemá kdo nastavit. Materiál si je vyrobí sám a podle toho, jak se s ním zachází.
Autoři to pořadí obrátili. Poruchy do krystalu vnesou úmyslně a teprve pak z nich tepelným zpracováním udělají strukturu, jakou chtějí mít.
Nejdřív zdeformovat, potom nechat stárnout
Zkoušeli to na dvou materiálech. Prvním je monokrystalická superslitina na bázi kobaltu a niklu, druhým polykrystalická slitina kobaltu, chromu a wolframu. Obojí nejdřív zdeformovali a pak podle tiskové zprávy Ohio State pomalu zahřívali.
Vznikly tak husté sítě koherentních, atomárně tenkých uspořádaných fází vázaných na poruchy. Koherentní znamená, že mřížka nové vrstvy navazuje na mřížku okolního krystalu bez přerušení; vrstva je tedy součástí téhož krystalu, ne cizí zrno v něm.
O 200 MPa víc a tečení pod třetinu
Abstrakt uvádí dvě čísla. Pevnost při pokojové teplotě stoupla o víc než 200 MPa a minimální rychlost tečení superslitiny klesla víc než třikrát.
Tečení je pomalé trvalé přetváření kovu pod stálým zatížením za vysoké teploty. U dílů, které běží dlouho horké, rozhoduje o jejich životnosti víc než pevnost naměřená při pokojové teplotě. Minimální rychlost tečení je nejnižší hodnota, na kterou rychlost přetváření během zkoušky klesne.
Při jaké teplotě a jakém zatížení zkoušky tečení probíhaly, abstrakt neříká a plné znění práce je za placenou zdí. Tisková zpráva Ohio State neuvádí ani jedno z obou čísel.
Složení zůstává, přeskupí se atomy uvnitř vrstev
Tisková zpráva univerzity zdůrazňuje, že slitiny zesílily beze změny chemického složení. Abstrakt práce k tomu dodává, že zpevnění umocňuje místní chemické uspořádání. Není v tom rozpor: atomy se přeskupí uvnitř těch tenkých vrstev, ale kolik čeho ve slitině celkem je, se nemění.
Nové fáze přitom nejsou nepřekonatelná hráz. Podle abstraktu zůstávají prostupné pro skluz, tedy pohybující se dislokace jimi projde, a zároveň brzdí jeho přenos dál do materiálu. Odkud zpevnění pochází, ukázala podle autorů kombinace elektronové mikroskopie a simulací.
Na šikmé vrstvy je od září nová metoda
Část téhož týmu, mezi nimi Bezold, Neumeier i Michael J. Mills, popsala 11. září v Nature Communications metodu Stacking faults from a different angle. Je to řádkovací prozařovací elektronová mikroskopie ve vysokém rozlišení, která rozliší povahu vrstevné chyby i tehdy, když chyba leží šikmo. Do té doby se v atomárním rozlišení daly spolehlivě posoudit jen chyby natočené hranou k paprsku.
Autoři to v té práci ukazují mimo jiné na superslitině na bázi kobaltu a niklu a na fóliích silnějších než 100 nm. Bez takového pohledu by se o vrstvách, které v Science popisují, dalo těžko říct, co přesně jsou zač.
Kam to míří
Bezold v tiskové zprávě mluví o dílech, které musí snést vysokou teplotu: o leteckých turbínových motorech a o strojích v elektrárnách. Termín, kdy by takto upravená slitina mohla být v hotové součásti, neuvádí on ani univerzita. Měřilo se na vzorcích, ne na dílech.
Práci podpořilo Center for Electron Microscopy and Analysis na Ohio State, nadace Alexandra von Humboldta, americká National Science Foundation a ministerstvo energetiky Spojených států.
Zdroje: práce v Science (svazek 394, číslo 6821, strany 306 až 310), tisková zpráva Ohio State University z 15. října a její znění na EurekAlert, metoda pozorování vrstevných chyb v Nature Communications.